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作者:羅勇強等 來源:《應用能源》 發布時間:2019/12/27 13:14:23
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零能耗新型光伏熱電墻體系統研制成功

羅勇強在實驗中

今年冬天,華中科技大學環境學院羅勇強博士像往常一樣撕下貼在門上的水電費單,打開手機繳納費用。

“冬季要支付暖氣費,夏季空調耗電量大,電費也比較高昂。為了住得舒服,實在太不容易了!”他希望,有朝一日,建筑房屋擁有自己的“思想”,不依靠這些制冷、供暖設置就能夠自動化地調節溫度,從而大大減少建筑供電的能耗。

幸運的是,他的夢想在不久的將來就會實現。

多年來,羅勇強專攻于建筑領域的節能研究。近日他所在的團隊研發了一套可根據需求智能調節溫度的零能耗新型光伏熱電墻體系統,相關成果發表于《應用能源》。

“在全球變暖亟須節能減排的大趨勢下,發展近零能耗乃至零能耗建筑是必然選擇。”羅勇強說。

給建筑“穿衣服”

能夠住在冬暖夏涼的房子里,是每位居民的夢想,而決定溫度的關鍵在于墻體的設計。

“就像人冬天怕冷要穿棉襖、夏天穿得清涼一樣,建筑也不例外。”論文第一作者羅勇強向《中國科學報》打了一個形象的比喻。

通常而言,建筑設計師會根據不同地域特點設計墻體的厚度。比如,北方地區氣候寒冷,建筑墻體就會設計得偏厚實,以提高保溫效果。南方地區則相反,為了排出熱量,墻體就會設計得更加輕薄。

不過,建筑一旦建成之后,其墻體的熱性能就會固定,很難根據一年四季的氣候情況而隨機變化,難以滿足人們的居住需求。

“夏天室外炎熱,熱量透過墻體傳到室內導致同步炎熱,所以我們需要打開空調把室內熱量排出。而到了冬天,室內的熱量又會源源不斷地從墻體向外流失,所以我們需要打開供暖設施補充損失的熱量。”他介紹,為了居住舒適,建筑內部往往配有制冷供熱設施,而這會造成大量的能耗。

有沒有一種辦法能讓建筑可以自行根據外界溫度添加或脫掉“衣服”?羅勇強陷入了沉思。

芯片也有“兩面派”

為了常年保持室內舒適的溫度,羅勇強團隊設計了一款光伏熱電耦合蓄電池的墻體系統。

熱電系統的運作基于一種輕薄且小巧的半導體芯片,其依靠光伏電池低壓直流電驅動。當直流電輸入此半導體芯片時,系統可發揮“兩面派”的特質。

通俗來說,到了夏天,安裝在墻體里的芯片朝向室內的一面制冷,背面制熱。到了冬天,將電流方向逆轉,則可實現室內制熱的效果。

通往成功的道路是曲折的。很快,羅勇強就面臨著一個不可避免的難題——由于該系統依靠光伏充電,所以晚上沒有太陽,墻體就無法工作。

有沒有辦法可以解決?他將目光投向了蓄電池。

“其實白天的時候,太陽能發的電是綽綽有余的。比如夏天,用于冷卻墻體的電力非常充足,為何不能把多余的電量儲存起來?這樣,白天我只需采用光伏產生的一小部分電力用于冷卻墻體,多余的電先讓蓄電池幫忙‘保管一下’。在晚上沒有太陽的時候,我再把電從蓄電池里面取出來,輸送給熱電芯片。最終通過控制算法,讓芯片在夏天幫我們冷卻墻體,在冬天的晚上繼續加熱墻體,實現‘一年四季一天24小時’的墻體熱流控制。”

羅勇強表示,如此一來,無論夏天、冬天還是白天、晚上,都能將墻體控制在適宜的溫度內。“而且,如果能夠讓墻體溫度和室內溫度保持一致,就不會出現熱傳遞和熱損失。”

為此,他建立了熱電墻體的點熱源二維解析傳熱模型、復合墻體狀態空間模型、光伏電池模型以及蓄電池動態充放電模型,利用光伏熱電墻體實驗臺驗證了模型的準確性,通過控制算法實現了墻體內表面溫度夏季始終不高于室內溫度、冬季始終不低于室內溫度,并且該系統完全由可再生能源驅動,不消耗電網電力。

有望降低建筑供電能耗

系統完成后,該團隊很快將其投入測試。結果表明,建筑墻體可保持恒定的設置溫度,全年均能順利運行。隨后,團隊又通過模擬計算考察系統在北京、武漢、廈門等十多個不同地區城市的可行性,發現該系統對不同的氣候區都具有適應性。

“這就意味著建筑墻體全年只要穿這么一件‘衣服’就行了。”羅勇強說。

論文通訊作者之一、湖南大學教授張泠告訴《中國科學報》,此套系統不僅為傳統墻體的熱性能增加了靈活性,最大的作用還在于降低了建筑供電的能耗。

“很多大型建筑都配有中央空調進行調溫,但是墻體如果安裝了我們的光伏熱電系統,就可以大大減少空調的耗能,最終實現建筑的近零能耗乃至零能耗。”她說,目前該系統已申請了國家發明專利,并出售給建筑公司使用。

建筑節能邁向“近零能耗”時代

近些年,我國政府在推進節能技術、可再生能源技術、綠色建筑等方面采取了相應的措施,對節能減排的重視不言而喻。

9月1日,住房和城鄉建設部發布了我國首部建筑節能引領性國家標準《近零能耗建筑技術標準》GB/T51350-2019(以下簡稱《標準》)。至此,“近零能耗建筑”概念置于聚光燈下。

根據《標準》,近零能耗建筑需要適應氣候特征和場地條件,通過被動式建筑設計最大幅度降低建筑供暖、空調、照明需求,通過主動技術措施最大幅度提高能源設備與系統效率,充分利用可再生能源,以最少的能源消耗提供舒適室內環境。

此外,在冬季(夏季)要滿足室內溫度≥20攝氏度(≤26攝氏度)、室內相對濕度≥30%(≤60%)的室內環境參數約束條件,能耗水平需較現行2016年標準降低65%至75%以上。

“不得不承認,我國在節能減排方面的舉措還是強有力的。”湖南大學副教授劉忠兵告訴《中國科學報》,該政策的實施將對推動建筑節能減排、提升建筑室內環境水平、調整建筑能源消費結構、促進建筑節能產業轉型升級起到重要作用。

記者查閱資料發現,從1986年至2016年,我國建筑節能經歷了“三步走”,即建筑節能比例逐漸達到30%、50%、65%。目前,65%的節能目標已基本普及,部分省、市已經全面實行建筑節能75%的目標。

超低能耗建筑是近零能耗建筑的初級表現形式。當前,我國建筑領域已經開始了相關探索,例如清華大學設計的示范性超低能耗建筑、南京綠色燈塔等。

劉忠兵表示,這些超低排放的綠色建筑不僅有利于節能減排,同時也有利于優化整個社會的能源消費結構、促進相關產業的經濟發展等。

張泠分析認為,未來超低能耗建筑技術將廣泛應用于單體建筑、民用建筑、公共建筑、多層建筑和高層建筑領域,最終共同構建一個節能環??沙掷m的世界。(來源:中國科學報 程唯珈)

相關論文信息: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.114066

 
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